封閉式開關(guān)柜內(nèi)微型雙視紅外測溫在線監(jiān)測方法

童 冰

(中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 654200)

在電力系統(tǒng)中，開關(guān)柜是電力設(shè)備中關(guān)鍵構(gòu)成設(shè)備，是保障電力正常運(yùn)行的前提條件。隨著電壓等級不斷提升，供電量迅速增加，開關(guān)柜工作強(qiáng)度也在不斷上升，開關(guān)柜的異常會危及電網(wǎng)安全，甚至造成電網(wǎng)癱瘓。封閉式開關(guān)柜具有裸露高壓、空間窄小等特點(diǎn)，傳統(tǒng)方法主要依靠人工進(jìn)行開關(guān)柜測溫，危險性較高，并且不能及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)柜長期運(yùn)行過程中出現(xiàn)的溫度異常問題。目前提出的開關(guān)柜在線監(jiān)測方法有很多，如吳傳奇等提出的高壓開關(guān)柜觸頭測溫傳感器監(jiān)測方法，主要采用工業(yè)總線傳輸，無法進(jìn)行實(shí)時報(bào)警，陶詩洋等提出的開關(guān)柜在線監(jiān)測方法，其優(yōu)勢是利用脈沖電流輸出信號解決不同電壓的電氣不運(yùn)作問題，但受噪聲影響較大，信號傳輸效果不好。鑒于現(xiàn)存的方法已經(jīng)不能滿足封閉式開關(guān)柜在線測溫要求，故需在此基礎(chǔ)上不斷完善，創(chuàng)造出新的方法。

微型雙視紅外測溫技術(shù)廣泛應(yīng)用，對不同領(lǐng)域存在的測溫問題有較為深入的研究。因此本文提出了封閉式開關(guān)柜內(nèi)微型雙視紅外測溫在線監(jiān)測方法。該方法能夠通過紅外溫度傳感器和可見光測溫傳感器的微型雙視紅外監(jiān)測裝置對溫度變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并分析與判斷，及時報(bào)警，提醒運(yùn)維人員及時處理，從而保障設(shè)備運(yùn)行安全。

1 基于雙視紅外測溫的封閉式開關(guān)柜在線監(jiān)測

1.1 封閉式開關(guān)柜的在線監(jiān)測框架

該方法通過信號采集、信號存儲與轉(zhuǎn)發(fā)、管理、報(bào)警四部分完成封閉式開關(guān)柜溫度的在線監(jiān)測。并通過IP網(wǎng)絡(luò)完成各部分之間的信號傳輸，該架構(gòu)延伸性較好，便于后期修改與擴(kuò)展。具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于雙視紅外測溫的監(jiān)測總體結(jié)構(gòu)

信號采集部分由兩個雙視云臺和一個數(shù)據(jù)處理器構(gòu)成。該部分的主要作用是通過雙視云臺采集封閉式開關(guān)柜的溫度信號。其中雙視云臺包含紅外溫度傳感器和可見光(CCD)測溫傳感器。數(shù)據(jù)處理器的功能是將雙視云臺采集到的溫度信號進(jìn)行綜合處理。

信號存儲與轉(zhuǎn)發(fā)部分的作用是將信號采集部分實(shí)時采集到的溫度信號通過IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)到管理部分。該部分是由數(shù)據(jù)庫和工控機(jī)構(gòu)成，數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的存儲，工控機(jī)承擔(dān)著數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕巧?/p>

管理部分包含服務(wù)器和客戶端兩部分。服務(wù)器負(fù)責(zé)計(jì)算開關(guān)柜溫度、解析從IP網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)內(nèi)容等重要功能?？蛻舳酥饕獮橛脩籼峁┧枰男畔ⅰ⒉僮髁鞒痰?。

報(bào)警部分由遠(yuǎn)程開關(guān)和報(bào)警器兩部分組成。遠(yuǎn)程開關(guān)主要執(zhí)行通過IP網(wǎng)絡(luò)對溫度變化情況傳達(dá)控制命令，產(chǎn)生開關(guān)信號，報(bào)警器主要是對異常溫度進(jìn)行報(bào)警。

1.2 CCD測溫傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CCD測溫傳感器的結(jié)構(gòu)具體如圖2所示。

圖2 CCD測溫傳感器結(jié)構(gòu)

CCD測溫傳感器測溫工作原理是在不同光強(qiáng)下利用一個分光/濾光單元獲取單色光，將其投射到單CCD表面達(dá)到同步獲取多路單色光的目的，進(jìn)而判斷開關(guān)柜中高溫輻射體溫度和CCD像點(diǎn)灰度間的關(guān)系。光束接收單元負(fù)責(zé)聚集接收輻射光，主要包含孔徑光闌、放大鏡等光學(xué)部件；濾光單元由分光鏡、反光鏡、濾光片等部件構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)通過分散光束來降低各路光束強(qiáng)度，保障光束均勻通過濾光單元。將分散的各路光束準(zhǔn)確投射到CCD靶面上，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行測溫處理。

1.3 紅外溫度傳感器設(shè)計(jì)

1.3.1 紅外溫度傳感器硬件結(jié)構(gòu)

紅外溫度傳感器的核心部分為MSP430F2618，負(fù)責(zé)進(jìn)行開關(guān)柜溫度信號采集和傳輸；紅外溫度傳感器TPS334L55負(fù)責(zé)溫差信號和溫度信號輸出；調(diào)節(jié)紅外溫度傳感器信號采用放大器OPA2735，該部分能夠削弱噪聲；紅外溫度采集主要利用單片機(jī)內(nèi)部安置的AD模塊進(jìn)行采集，控制無線模塊CC2500完成信號傳輸，紅外溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在進(jìn)行測溫時，由于紅外溫度傳感器產(chǎn)生的電壓不穩(wěn)定，會在巨大噪聲中降低信號的顯示效果，影響信號傳輸，導(dǎo)致無法進(jìn)行溫度測量。通過放大器OPA2735，來降低噪聲突出信號；利用紅外溫度傳感器調(diào)節(jié)溫度的特點(diǎn)，進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償。

數(shù)字信號主要是利用單片機(jī)的特點(diǎn)轉(zhuǎn)換兩組模擬信號，再利用無線模塊CC2500對轉(zhuǎn)換的信號進(jìn)行傳輸?shù)玫降?；為降低移動通信網(wǎng)絡(luò)頻段對無線性能的影響，選用2.4GHz頻段進(jìn)行無線傳輸工作，并且該無線線路所占空間較小，解決了封閉式開關(guān)柜面積窄小的問題。

電源濾波、脈沖保護(hù)等軟件構(gòu)成紅外溫度傳感器的電源處理部分。在電源濾波合理的情況下保證信號輸出，主要通過避免電磁輻射影響測溫節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行降噪，擴(kuò)大溫度信號。通過阻止二極管吸收瞬間強(qiáng)脈沖干擾達(dá)到脈沖保護(hù)的目的。

圖3 紅外溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 封閉式開關(guān)柜溫度計(jì)算分析

紅外溫度傳感器的輸出溫差信號與冷端溫度有關(guān)聯(lián)，因此通過環(huán)境溫度計(jì)算紅外溫度傳感器信號感應(yīng)到的封閉式開關(guān)柜溫度，具體公式為：

(1)

式(1)中，(25)表示常數(shù)，1，2均表示存于EEPROM地址的兩個補(bǔ)碼值，表示封閉式開關(guān)柜輸入溫度值，計(jì)算所對應(yīng)的EEPROM參數(shù)如下：

(25)=256×+

(2)

(3)

(4)

式(2)～式(4)中，、、1、1、2、2為EEPROM參數(shù)。

封閉式開關(guān)柜紅外溫度傳感器信號上的溫度值(,)計(jì)算公式如下：

(5)

式(5)中，(,)表示輸出的紅外補(bǔ)償信號，表示計(jì)算出的環(huán)境溫度。

紅外輻射補(bǔ)償信號(,)可以通過分步計(jì)算偏置補(bǔ)償信號、熱梯度補(bǔ)償信號、歸一化處理計(jì)算得出。其中，偏置補(bǔ)償信號計(jì)算公式為：

=(,)--+0

(6)

式(6)中，0常數(shù)為25℃。封閉式開關(guān)柜的紅外溫度傳感器信號上的紅外數(shù)據(jù)用表示；利用式(7)計(jì)算出存儲在EEPROM中的封閉式開關(guān)柜紅外溫度傳感器信號偏置值；表示封閉式開關(guān)柜紅外溫度傳感器信號的偏置斜率系數(shù)；通過式(8)計(jì)算得到：

(7)

公式(7)中，開關(guān)柜二進(jìn)制補(bǔ)償碼的最小偏置值用表示，封閉式開關(guān)柜紅外溫度傳感器信號與最小偏置之差為Δ(,)，Δ是作為無符號數(shù)存儲在EEPROM中空間內(nèi)Δ縮放函數(shù)：

(8)

式(8)中，(,)是存儲在EEPROM中的二進(jìn)制補(bǔ)碼；為封閉式開關(guān)柜空間內(nèi)的紅外偏置斜率縮放系數(shù)。熱梯度補(bǔ)償信號×公式如下：

(,)=(,)-×

(9)

式(9)中，(,)是封閉式開關(guān)柜紅外溫度傳感器信號上的紅外梯度偏置信號，為存儲在EEPROM的0xD8地址的系數(shù)，歸一化處理(,)計(jì)算公式，則：

(10)

式(10)中，(,)，，其中0、0、、、(,)和是存儲的無符號數(shù)。

紅外補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算公式為：

(11)

式中，為輻射系數(shù)。

依據(jù)式(11)得到的補(bǔ)償紅外系數(shù)，最終完成封閉式開關(guān)柜的在線溫度監(jiān)測。

1.4 基于紅外測溫的開關(guān)柜監(jiān)測方法工作流程

基于微型雙視紅外測溫的封閉式開關(guān)柜內(nèi)在線監(jiān)測方法工作流程如圖4所示。

圖4 基本工作流程圖

雙視平臺對開關(guān)柜監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行拍攝，將實(shí)時采集到的信號通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫盘柎鎯εc轉(zhuǎn)發(fā)部分，利用數(shù)據(jù)庫和工控機(jī)完成信號數(shù)據(jù)的存儲與轉(zhuǎn)發(fā)后，進(jìn)行紅外圖像溫度計(jì)算和可見光信號分析。

紅外圖像溫度計(jì)算是對采集的紅外信號進(jìn)行解析，提取紅外圖像，并根據(jù)溫度計(jì)算算法求取出該圖像對應(yīng)的溫度值，得到目標(biāo)溫度信息，通過客戶端顯示目標(biāo)溫度信息，同時比較該溫度是否符合預(yù)設(shè)的溫度范圍，如果不符合，說明溫度變化異常，則進(jìn)行報(bào)警。

可見光信號分析主要針對可見光獲取到的信號進(jìn)行分析，對光線的聚集、投射進(jìn)行追蹤，在測量到溫度異常變化時，進(jìn)行報(bào)警。

系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警時，會將報(bào)警命令實(shí)時發(fā)送給客戶端和遠(yuǎn)程開關(guān)?？蛻舳耸盏綀?bào)警命令后，立刻在主界面顯示出報(bào)警信息，同時伴隨著信號燈閃爍。遠(yuǎn)程開關(guān)收到報(bào)警命令后，會產(chǎn)生開關(guān)信號，控制報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文方法對封閉式開關(guān)柜在線監(jiān)測效果，以某公司的封閉式開關(guān)柜為實(shí)驗(yàn)對象，對其溫度進(jìn)行監(jiān)測。

2.1 溫度測試效果分析

為驗(yàn)證本文方法對封閉式開關(guān)柜溫度變化的監(jiān)測效果，對不同時間段濾光溫度變化與實(shí)際溫度進(jìn)行對比，具體結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同濾光下溫度變化情況

從圖5中可以看出，未經(jīng)濾光溫度和濾光溫度在不同時間段雖有波動，但與實(shí)際溫度相比波動幅度不大，且在中午12點(diǎn)時，三種狀態(tài)下的溫度相近。證明本文方法無論是在濾光環(huán)境還是非濾光環(huán)境，溫度測量的可靠性好。

2.2 噪聲影響分析

測溫過程中紅外溫度傳感器輸出信號不穩(wěn)定，會導(dǎo)致信號被掩蓋在噪聲中，為證明應(yīng)用本文方法后的開關(guān)柜輸出信號清晰，將本文方法與高壓開關(guān)柜觸頭測溫傳感器監(jiān)測方法(文獻(xiàn)[3]方法)和基于脈沖電流法的高壓開關(guān)柜局部放電在線監(jiān)測方法(文獻(xiàn)[4]方法)的溫度輸出信號結(jié)果進(jìn)行比較，具體如圖5所示。

對帶噪信號進(jìn)行信號輸出實(shí)驗(yàn)，將應(yīng)用三種方法后輸出的信號與原始信號進(jìn)行對比，從圖6各方法應(yīng)用后輸出的信號可以看出，應(yīng)用本文方法后的輸出信號與原始信號相似度較高，而且沒有明顯的信號變化趨勢，能有效還原信號本身特點(diǎn)。證明應(yīng)用本文方法后對輸出信號的去噪效果更明顯，相較于其他方法對信號去噪更具優(yōu)勢，有利于封閉式開關(guān)柜的溫度進(jìn)行監(jiān)測。

(a)原始信號

2.3 溫度監(jiān)測效果分析

為驗(yàn)證本文方法對目標(biāo)溫度的監(jiān)測效果，選擇溫度變化范圍為20～100℃，目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度的誤差在±1.5℃的監(jiān)測效果最好。實(shí)驗(yàn)讀取10組開關(guān)柜上的溫度數(shù)值和監(jiān)測界面顯示溫度值，具體溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1的10組數(shù)據(jù)中可以看出，溫度誤差都在±1.5℃內(nèi)，證明本文方法獲取的目標(biāo)溫度較為準(zhǔn)確，對開關(guān)柜的溫度監(jiān)測效果較好，便于對開關(guān)柜溫度進(jìn)行在線監(jiān)測。

2.4 環(huán)境溫度影響分析

封閉式開關(guān)柜進(jìn)行電力工作會產(chǎn)生高溫環(huán)境，是造成測量溫度難度的重要因素，也是影響測量精度的關(guān)鍵。為證明本文方法在不同環(huán)境溫度測量的精確性，選取30℃、60℃、90℃三種不同的環(huán)境溫度，比較不同環(huán)境溫度下本文方法檢測到的不同測溫點(diǎn)的溫度變化情況，具體溫度變化情況如圖7所示。

圖7 環(huán)境溫度對溫度曲線的影響

從圖7中溫度變化曲線可以看出，在三種不同環(huán)境溫度條件下，本文方法監(jiān)測到測溫點(diǎn)的溫度曲線幾乎重合。仔細(xì)對比不同的溫度變化曲線之間還是存在細(xì)微的差距，環(huán)境溫度的上升會導(dǎo)致測溫點(diǎn)溫度上升速度加快。證明本文方法開關(guān)柜溫度監(jiān)測效果受環(huán)境溫度影響較小，并且測量的溫度精確度較高，將此方法深入應(yīng)用到封閉式開關(guān)柜溫度監(jiān)測，能為檢測人員提供更準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，避免溫度異常引起開關(guān)柜故障，影響電力設(shè)備的正常使用。

3 結(jié) 論

針對封閉式開關(guān)柜監(jiān)測方法不理想的現(xiàn)狀，首次提出了封閉式開關(guān)柜微型雙視紅外測溫在線監(jiān)測方法。本文提出的方法打破了傳統(tǒng)方法對于開關(guān)柜無法實(shí)現(xiàn)信號輸出清晰、溫度檢測準(zhǔn)確的方式，并且在很大程度上提高了封閉式開關(guān)柜的監(jiān)測狀況，為電力設(shè)備管理者提供了便利。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法對開關(guān)柜進(jìn)行監(jiān)測時不僅運(yùn)行可靠、穩(wěn)定、操作簡單，且該方法對溫度的變化情況具有較強(qiáng)的監(jiān)測效果，確保封閉式開關(guān)柜的安全正常運(yùn)行，具有十分重要的意義。微型雙視紅外測溫在監(jiān)測封閉式開關(guān)柜的應(yīng)用剛剛起步，如何在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體應(yīng)用從多角度、多方位豐富監(jiān)測方法，解決因監(jiān)測效果不理想影響電力設(shè)備正常使用的問題，值得進(jìn)一步研究。